采用单节变形履带机构的新型轮椅机器人

第49卷第13期2013年7月

机械工程学报

Vol.49Jul.

No.132013

JOURNALOFMECHANICALENGINEERING

DOI：10.3901/JME.2013.13.040

采用单节变形履带机构的新型轮椅机器人*

于苏洋1,2

王

挺1

王志东1,3

王越超1

姚

辰1

李小凡1

(1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016；

2.中国科学院大学北京100049；

3.千叶工业大学先进机器人技术部千叶275-0016日本)

摘要：提出一种采用单节变形履带机构的轮椅机器人。该机构能够通过两组摆臂的转动对履带形状与张紧力进行主动控制，以使履带形状更好地与障碍物相适应，从而提高传统轮椅的越障能力。在对比现存各种轮椅机器人越障机构特点的基础上，介绍这种新型轮椅机器人的机构方案及对楼梯这种典型障碍物的爬越过程。针对爬越楼梯这一越障运动，将轮椅机器人转换成等效串联机器人，建立用于描述机器人位置及履带形状的几何模型，并给出基于拉格朗日动力学方程的机器人主动构件驱动力矩的优化求解方法。通过仿真得到了轮椅机器人爬越楼梯过程中各主动构件驱动力矩的变化情况，进而指导完成了机器人驱动系统与机械结构设计并制作出原理样机。通过样机爬越楼梯试验验证了轮椅机器人的越障能力。关键词：轮椅机器人中图分类号：TP242

单节变形履带机构

越障能力

驱动力矩

WheelchairRobotEquippedwithVariableGeometrySingleTracked

Mechanisms

YUSuyang1,2WANGTing1WANGZhidong1,3WANGYuechao1YAOChen1

LIXiaofan1

(1.StateKeyLaboratoryofRobotics,ShenyangInstituteofAutomation,

ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016;

2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049;

3.DepartmentofAdvancedRobotics,ChibaInstituteofTechnology,Chiba275-0016,Japan)

Abstract：Awheelchairrobotequippedwithvariablegeometrysingletrackedmechanisms(VGSTMs)isproposed.Thismechanismcanactivelycontrolthetrackshapeandtensiontoadapttotheobstaclesbyrotatingthetwopairsofflippers,soitbecomespossibletoimprovetheobstacleclearingcapabilityofthetraditionalwheelchair.Followingapresentationofsometypicalmechanismsforobstacleclearing,themechanismschemeandthestair-climbingprocessoftherobotareintroduced.Withtheaimofstair-climbing,thewheelchairrobotistranslatedtoaserialmanipulator,baseonwhichthegeometricmodelthatcandescribethepositionandthetrackshapeoftherobotisestablished,andtheoptimalsolutionmethodofthedrivingcomponentmomentwithLagrangedynamicequationsisproposed.Inthesimulation,thevariationsofthedrivingmomentduringstair-climbingareobtained,andthenthedesignofthedrivingsystemandthemechanicalstructureoftherobotarecompletedwiththesimulationresults.Thestair-climbingexperimentisperformedwiththeprototypetoverifytheobstacleclearingcapabilityoftherobot.Keywords：WheelchairrobotVariablegeometrysingletrackedmechanism

Obstacleclearingcapability

Drivingmoment

0前言轮椅是下肢行动不便者重要的代步工具。传统

便。为了提高传统轮椅的越障能力，尤其是对日常建筑物中广泛存在的楼梯的爬越能力，国内外很多研究者尝试将移动机器人的越障机构与传统轮椅相结合，研制轮椅机器人。

在国内外现有移动机器人所采用的越障机构中，具有较强的越障能力尤其是能够实现爬越楼梯这种越障运动的主要有星形轮式机构、腿式机构和履带式机构三种。星形轮式轮椅机器人虽然能够完

轮椅在平地上运动比较灵活，但当遇到障碍物时其运动会受到很大的限制，给使用者带来了极大的不

国家自然科学基金资助项目(60805048)。20121206收到初稿，20130506收到修改稿

2013年7月于苏洋等：采用单节变形履带机构的新型轮椅机器人41

成爬越楼梯的运动，但爬越过程中本体的波动会降低乘坐的舒适度[1-3]。同时，如果机器人采用单组星形轮式机构，在无外力辅助时爬越的安全性较差[1]；而采用单组星形轮结合辅助机构或多组星形轮式机构又会使机器人的体积过于庞大[2-3]。腿式机构应用在轮椅机器人上能为其带来较强的越障能力，但同时机器人的机构与控制也较为复杂[4-5]。相比之下，履带式机构因其接地面较大，能使轮椅机器人爬越楼梯过程具有较高的安全性，同时机器人的机构也比较简捷。但采用传统单节履带机构的轮椅机器人对障碍物的适应能力非常有限，运动在楼梯顶端时不能在无外力辅助情况下实现本体姿态的平稳转换[6]。为了解决单节履带式轮椅机器人对楼梯顶端适应性差的问题，一些轮椅机器人采用了多节变形履带或与其原理相似的单节履带结合辅助摆臂的机构方案[7-9]。这类机构能够使轮椅机器人避免在楼梯顶端出现本体姿态突变的现象，但姿态变化的平缓性仍有待提高。

在此情况下，在移动机器人领域有所应用的各种单节变形履带机构，尤其是能够同时对履带形状与张紧力进行主动控制的单节变形履带机构因其具备更强的将履带形状主动与障碍物相适应的能力[10-13]，为进一步提高履带式轮椅机器人的越障能上力提供了一种新的选择。因此，本文首先提出了一种采用单节变形履带机构的轮椅机器人的机构方案，并介绍了机器人爬越楼梯的过程；之后建立了机器人爬越楼梯过程的几何模型与动力学模型，提出了机器人主动构件驱动力矩优化求解方法并通过仿真得到了主动构件驱动力矩在机器人爬越楼梯过程中的变化情况；最后在仿真结果指导下完成了机器人驱动系统与机械结构设计，并制作出原理样机进行了机器人爬越楼梯试验。

1.2

54

678

32

10

(a)

后摆臂转动到初始位置

9

1

(b)后摆臂转动到极限位置

图1

1.前承重轮5.车架及座椅

轮椅机器人机构方案

3.履带

4.前摆臂行星轮

8.后摆臂

6.压带轮

7.诱导轮

2.前摆臂

9.后摆臂行星轮10.极限位置承重轮

爬越楼梯过程

这种新型轮椅机器人爬越楼梯的过程可以划

分为四个阶段。第一阶段机器人背向楼梯，前、后摆臂逆时针转动使座椅有一定的后倾(图2a)。第二阶段机器人开始爬越前几级台阶。在机器人运动的同时，前、后摆臂根据需要继续逆时针转动以保持合适的座椅倾角(图2b、2c)。第三阶段机器人完全进入楼梯，并以固定的履带形状在楼梯上运动(图2d)。当机器人后摆臂全部伸出楼梯时，第四阶段开始。此时机器人先停止向上运动，后摆臂顺时针转动直到后摆臂行星轮支撑到楼梯顶面，使履带产生适应楼梯顶端的变形(图2e、2f)。之后机器人重新开始向上运动，同时前、后摆臂继续顺时针转动直到机器人完全运动到楼梯顶面(图2g、2h)。

1

1.1

机器人机构方案及爬越楼梯过程

机构方案

这种新型轮椅机器人的机构方案如图1所示。

机器人机构由上方固定有座椅的车架和在车架两侧对称布置的单节变形履带机构组成。在变形履带机构中，一组前摆臂和一组后摆臂分别可以同步驱动用来同时控制机器人履带的形状和张紧力。两组摆臂的末端分别安装有行星轮，其中两个后摆臂行星轮分别可以独立驱动用来控制机器人的行走 …… 此处隐藏：10978字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……